煉鋼-熱軋生產(chǎn)計劃的優(yōu)化與協(xié)調(diào)

[ 作者簡介 ]

張坤，男，河北遷安人，河北燕山鋼鐵集團(tuán)有限公司，助理工程師，大專，研究方向：冶金。

[ 摘要 ]

煉鋼-熱軋是鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)要強(qiáng)化煉鋼和熱軋各項工作計劃的發(fā)展，因此對兩者之間的優(yōu)化和協(xié)調(diào)有了更多的需求。按照最佳爐次的規(guī)劃模型以及最佳軋制規(guī)劃模型構(gòu)建爐次-軋制規(guī)劃的優(yōu)化與協(xié)調(diào)模型，運(yùn)用禁忌搜索等工作方法對其進(jìn)行求解，并對模型和計算方法開展仿真檢驗。

[ 關(guān)鍵詞 ]

煉鋼;熱軋;爐次計劃;軋制計劃;熱送熱裝;優(yōu)化與協(xié)調(diào)

中圖分類號：F27

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2022.09.018

鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)在我國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占有舉足輕重的社會地位。鋼材公司在實現(xiàn)自我發(fā)展的同時，更要肩負(fù)起推進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和擴(kuò)大人員就業(yè)等責(zé)任。實施的熱送熱裝生產(chǎn)技術(shù)就是推進(jìn)企業(yè)加快節(jié)能降耗的有效技術(shù)手段，在應(yīng)用這一新型的技術(shù)后，可以有效改進(jìn)加熱爐的生產(chǎn)環(huán)境和品質(zhì)，從而減少了加熱爐的能源損耗，同時降低連鑄鋼坯的熱燒損，進(jìn)而大幅度提高了工作效率。該工藝技術(shù)的有效運(yùn)用已作為評價鋼鐵企業(yè)產(chǎn)品管理水平的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，并促進(jìn)了煉鐵-連鑄-熱軋的統(tǒng)一化流程管理，使鋼材的加工制造流程向著連續(xù)化、降低成本、提升質(zhì)量、提高效益的走向蓬勃發(fā)展。在實施的熱送熱裝工藝將會影響到全過程的統(tǒng)一管理，爐次規(guī)劃-軋壓規(guī)劃兩者間的密切配合和有效協(xié)調(diào)，能確保熱送熱裝工藝的有序?qū)嵤?/p>

1 煉鋼軋鋼一體化要點

連鑄鋼坯熱裝熱送技術(shù)的研究與運(yùn)用，把煉鐵和軋鋼更密切地聯(lián)系起來，并使其形成統(tǒng)一的產(chǎn)品體系。需要通過技術(shù)創(chuàng)新與科學(xué)管理等舉措使這個控制工作系統(tǒng)與設(shè)計相符。要實現(xiàn)煉鋼同軋鋼工藝的合理關(guān)聯(lián)，提高煉鋼鐵的原料成分和鋼水凈化能力，增強(qiáng)連鑄機(jī)處理量，并結(jié)合結(jié)晶器的智能調(diào)寬等新型技術(shù)，實施熱裝熱送生產(chǎn)工藝，推進(jìn)物流運(yùn)送的連接和系統(tǒng)的穩(wěn)定高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 計劃模型

2.1 最優(yōu)爐次

爐次是指材料在一臺電弧爐或轉(zhuǎn)爐內(nèi)熔煉，從起始熔煉到水泥澆注（或模注）完成的全部流程。

假定：（1）每塊板坯材料的凈重為爐容體積且保持完整性;（2）爐次數(shù)無法確定;（3）沒有超出的合同;（4）爐子容積量是常量。根據(jù)上述假設(shè)，最優(yōu)爐次計算的數(shù)學(xué)模型為：

式中：N值代表協(xié)議采用板坯量;PC代表產(chǎn)品產(chǎn)品等級、PW代表產(chǎn)品尺寸、PD代表產(chǎn)品交貨日期、PG代表產(chǎn)品厚度相差的數(shù)值、PR代表剩余爐容積的懲罰系數(shù)，公式為α（x）=k·power（x，bα）;Ci 代表協(xié)議i的產(chǎn)品等級、Wi 代表協(xié)議i尺寸、Di 代表協(xié)議 i 交貨日期、Gi 代表協(xié)議i厚度、ti 代表協(xié)議i重量;Vk 代表剩余爐容量;T 代表爐容積。

公式中的函數(shù)（1）說明組織爐次的合同約定板坯的鋼級、長度、交付時間與材料厚度的比較差的處罰值和多余爐容量的處罰值最小;制約需求（2）說明每個合約板坯開展?fàn)t次，但不會剩余;制約條款（3）說明融入一個爐次的板坯材料重量不大于爐容體積;制約條款（4）說明若爐次不能運(yùn)用合約板坯，則認(rèn)為剩余爐沒有容積;禁止條款（5）說明示變量Xik是0，1變量。

2.2 最優(yōu)軋制

在熱軋過程中，每項軋制工作單元可以分為燙輥材料與主要材料兩部分，為了能夠精簡問題，文中重點說明主體材。構(gòu)成每項熱軋機(jī)部分的合同板坯要達(dá)到下列工作制約：（1）軋機(jī)有工作總長度保證規(guī)定控制;（2）工作總長度通過非減方向進(jìn)行;（3）相同寬幅的板坯持續(xù)軋制應(yīng)在規(guī)定時間內(nèi);（4）厚薄、硬度變化要均勻，且不得重復(fù)跳躍。最優(yōu)軋制計劃模型如下：

式中：N代表板坯量;PH代表形成同一軋制項相近板坯的硬度、PW代表形成同一軋制項相近板坯的不同尺寸、PD代表形成同一軋制項相近板坯的交貨各個日期、PG代表形成同一軋制項相近板坯的厚度不同的懲罰系數(shù);Uk 代表軋制項目k的軋制數(shù)值與最大軋制數(shù)據(jù)間的相差;PR代表相差數(shù)值的懲罰系數(shù);Xijk、yik、Zijk 是0，1變量。

公式中函數(shù)（6）代表級軋制區(qū)板坯尺寸、交貨期以及硬度最小;條件（7）保證各個板坯可分配，且都會放在同一個軋制工作區(qū)內(nèi);條件（8）（9）保證同一軋制項的所有長度的制約，相同的尺寸板坯持續(xù)軋制的尺寸;條件（10）要確保各個板坯材料開展一次制作;條件（11）保證只在一個軋機(jī)區(qū)的所板坯材料，研究相同尺寸的板坯工作制約。

3 爐次-軋制進(jìn)行優(yōu)化協(xié)調(diào)的原理

在運(yùn)用熱送熱裝的制作工藝中，往往良好的爐次計劃模型與最優(yōu)模型中涉及的函數(shù)有一定的區(qū)別，所以，有時會出現(xiàn)板坯順序不一致的現(xiàn)象。爐次-軋制計劃協(xié)調(diào)模型如下：

式中：M代表軋制的工作單元;O代表爐次的數(shù)量;N代表板坯數(shù)量;α代表軋制計劃、β代表爐次權(quán)重;PHr 代表構(gòu)成同一軋制區(qū)域相近板坯硬度差值、PWr代表構(gòu)成同一軋制區(qū)域相近板坯寬度差值、PDr 代表構(gòu)成同一軋制區(qū)域相近板坯交貨期差值、PGr 代表構(gòu)成同一軋制區(qū)域相近板坯厚度差值的懲罰系數(shù);PRr 代表差值的懲罰系數(shù);PCh 代表構(gòu)成同一爐次鋼級、PWh 代表構(gòu)成同一爐次寬度、PDh 代表構(gòu)成同一爐次交貨時間、PGh 代表構(gòu)成同一爐次厚度、PRh 代表構(gòu)成同一爐次剩余爐容量的懲罰系數(shù);其他參數(shù)如上所述。目標(biāo)函數(shù)（13）代表開展加權(quán)的軋制計劃和爐次計劃總體目標(biāo)值的最優(yōu)。

4 禁忌搜索算法求解模型

4.1 禁忌搜索算法概述

禁忌搜索算法是一項全局漸進(jìn)尋優(yōu)算法，它通過引進(jìn)一些更靈巧的存儲結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的禁忌規(guī)則來避開迂回搜尋。它還使用藐視原則來赦免某些被禁用的最優(yōu)解，進(jìn)而確保了更多的有效探索，最后取得全局優(yōu)勢。

4.2 初始可行解的選取

初始可行解在一定程度上能夠?qū)τ嬎惴椒ǖ膿駜?yōu)比例造成一定的影響，初始解可以得到最優(yōu)解。以下是3個不同的模型可行解的選取方法。詳見表1。

計算最佳軋制計劃的工作模式運(yùn)用貪婪計算方法構(gòu)造可以解決。貪婪算法就是指先挑選出尺寸最寬的板坯，若是多于一塊以上的最寬板坯，則選擇其交貨時間最短的板坯設(shè)定為第一塊板坯，并從其他余下的板坯中選出相鄰現(xiàn)有板坯軋制懲罰值最小的板坯設(shè)定為下一塊的軋制板坯，軋制懲罰項主要的內(nèi)容有寬度、厚度、硬度、交貨期等，按上述的程序再次進(jìn)行，直到選出最大軋制長度，然后再形成下一個軋制單元。

4.3 鄰域搜索

文中運(yùn)用了內(nèi)部相互算法開展鄰域的建造，合同規(guī)模為N的，每個狀態(tài)的鄰域解個數(shù)為C2N=（N-1）（N-2）/2。如此龐大的鄰域要研究解決這個數(shù)值，將會影響搜索的工作速度和進(jìn)度，要不斷完善鄰域的各個工作結(jié)構(gòu)。與當(dāng)前的工作狀態(tài)一致，就是無效鄰域解。每次鄰域搜索時要對無效鄰域解實行避讓，提升搜索效率。

4.4 禁忌長度

禁忌長度指禁忌目標(biāo)對象在無法考慮藐視有關(guān)準(zhǔn)則情況前提下不能被選擇的最高次數(shù)。禁忌長度的篩選經(jīng)常和問題有關(guān)特點相關(guān)，上文中選擇的禁忌長度通常是5。

5 仿真實例驗證

通過計算機(jī)編程軟件開展語言編輯工作，自行設(shè)計編寫煉鋼-連鑄-熱軋整體生產(chǎn)運(yùn)行，開展電腦的演練。通過運(yùn)算得出DHCR比例以及HCR比例都為100 %;第二個軋制項有著明顯的不同，通過計算，其DHCR比例是53.68 %，HCR比例是96.63 %。

6 小結(jié)

使用熱送熱裝的生產(chǎn)技術(shù)已在鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用，并設(shè)計了爐次-軋制的模型體體系，本文對于模型使用禁忌搜索這一工作方法開展求解，并通過電腦模擬系統(tǒng)對其效果進(jìn)行了檢驗。下一步推進(jìn)的工作側(cè)重方面就是將應(yīng)用模型所涉及的懲罰系數(shù)進(jìn)行不斷的調(diào)整優(yōu)化，從而設(shè)計出具有更高水平的煉鋼-熱軋生產(chǎn)計劃。

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